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1、2019/4/13,1,单片机原理及应用,电气工程学院 孟 宗 13803248052,2019/4/13,2,单片机原理及应用,课程特点,知识点既分散又连贯，结构和指令系统是基础； 与电子线路尤其是数字电子线路关系密切；,本课程以MCS-51单片机为主介绍了单片机的基本原理、发展过程、汇编语言及程序设计，MCS-51单片机内部资源及应用，单片机的扩展技术、输入输出通道接口、交互通道的配置与接口、单片机应用系统设计。具有完整的、独立的实验教学内容。,内容简介,2019/4/13,3,学习方法：,1. 充分利用已学过的微机原理的知识，掌握单片机的基本结构与组成原理，进一步掌握计算机中的基本概念、
2、基本常识。 2. 掌握单片机的指令系统与编程方法 3. 掌握单片机的时序，不懂时序，难以充分利用单片机。 4. 掌握单片机硬件电路中通用符号的意义，进一步掌握外围接口电路的典型应用（锁存器、缓冲器、驱动器、定时器/计数器、并行接口、串行接口、A/D、D/A、键盘、显示器、打印机等）。 5. 掌握单片机扩展的原理，注意学会主要信号的扩展方法，能够举 一反三。（如：片选、数据总线、地址总线、片内寻址、读/写控制线、地址锁存、时钟、复位、中断请求与响应等）。,2019/4/13,4,1.1 单片机基础 1.1.1 电子计算机及其发展历史 第一台电子计算机诞生于1946年2月。 1946年6月，冯诺依
3、曼提出“程序存储”和“二进制运算”的思想，构建了计算机由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备，组成这一计算机的经典结构，如图所示。,第1章 单片机概述,2019/4/13,5,发展经历以下几个阶段： 电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、大规模集成电路计算机、超大规模集成电路计算机(微型计算机) 1.1.2 电子计算机及其发展历史 计算机真正得到广泛应用和普及，还是由于微型计算机的出现。 微型计算机组成：由微处理器（或称CPU，中央处理单元)、存储器加上I/O接口电路组成。 各组成部分通过地址总线（AB）、数据总线（DB）和控制总线（CB）相连，再配以系统软件和I/O设备，构成完整的微
4、型计算机系统，简称:微机，如图所示。,2019/4/13,6,1.1.3 什么是单片机 在半导体硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM、ROM、EPROM)和各种输入、输出接口。 单片机SCMC(Single Chip MicroComputer) -属于微型机的一种 -具有一般微机的基本组成和功能 也称为：微控制器 MCU(MicroController Unit) 嵌入式控制器 EMCU（Embedded icroController Unit）。 我国，习惯使用“单片机”这一名称。 按用途可分为通用型和专用型两大类：,2019/4/13,7,（1）通用型 可开发的内部资源：RAM
5、、ROM、I/O等功能部件，全部提供给用户，根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心的测控系统。 （2）专用型 专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机，针对性强且数量巨大。 对系统结构的最简化、可靠性和成本最佳化等方面都作了全面的考虑。 “专用”单片机具有十分明显的综合优势。 无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原 理都是以通用单片机为基础。,2019/4/13,8,1.2 单片机的发展历史及发展趋势 1.2.1 单片机的发展历史 处理的位数分为：1位、4位、8位、16位、32位单片机。 四个阶段: 第一阶段(1974年1976年)：单片机初级阶段。双片的形式，且功能比较
6、简单。 第二阶段（1976年1978年）：低性能单片机阶段。以Intel 公司制造的MCS-48单片机为代表。 第三阶段(1978年现在)：高性能单片机阶段。Intel公司的 MCS-51系列、Mortorola公司的6801系列等。 第四阶段(1982年现在)：8位单片机巩固发展及16位单片 机、32位单片机推出阶段。 世界各公司也开发了一大批性能优越的单片机 近年，不少新型单片机涌现，单片机产品丰富多彩的局面。,2019/4/13,9,1.2.2微型计算机与单片机,计算机,巨,大,中,小,微,多片机（PC）,单片机,微型机与单片机的基本组成对比,微型机,CPU,存储器,输入/输出接口,20
7、19/4/13,10,微 处 理 器 CPU,ROM,RAM,I/O接口,外设,地址总线AB,数据总线DB,控制总线CB,微型机组成框图,2019/4/13,11,MCS-51单片机组成框图,2019/4/13,12,(1)优异的性能价格比。,1.2.3 单片机的特点,单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。 此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。,(2)集成度高、体积小、有很高的可靠性。,2019/4/13,13,为了满足工业控制要求，一般单
8、片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。,(3)控制功能强。,(4)单片机的系统扩展、系统配置较典型、规 范，容易构成各种规模的应用系统。,2019/4/13,14,1.2.4单片机的应用,1单片机应用的特点 软硬件结合、多学科交叉； 应用现场环境恶劣（电磁干扰、电源波动、 冲击振动、高低温湿度等）； 应用领域广泛且意义重大（硬件软化-微控 制技术）。,2019/4/13,15,2 单片机的应用领域 在在工业自动化方面（过程控制、数据采集和测控 技术、机器人技术、机械电子计算机一体化技术）； 仪器仪表方面（测试
9、仪表和医疗仪器-数字化、智能 化、高精度、小体积、低成本、便于增加显示报警和自诊断功能）； 在家用电器方面（冰箱、洗衣机、空调机、微波炉、电视机、音像设备等）； 信息和通信产品方面（计算机的键盘、打印机、磁 盘驱动器；传真机、复印机、电话机、考勤机）； 在军事方面（飞机、大炮、坦克、军舰、导弹、火箭、雷达等）。,2019/4/13,16,1.3 常用单片机系列介绍,1、综述,自单片机诞生以来的近30年中，单片机已有70多个系列的近500个机种。国际上较有名、影响较大的公司及他们的产品如下所述： Intel公司的MCS48、MCS51、MCS96系列； Motorola公司的6801、6802、
10、6803、6805、68HCll系列产品； Zilog公司的Z8、Super8系列产品； 仙童(Fairchild)公司和Mostek公司的F8、3870系列产品；,2019/4/13,17,NEC公司的COM87系列产品； Rockwell公司的6500、6501系列产品。 Atmel、PHILIPS 、LG等公司的51兼容机。 根据近年来国外实地考察，Intel公司的单片机在市场上占有量为67，其中MCS51系列产品又占54。在我们国内虽然上述各公司的产品均有引进，但由于各种原因，至今在我国所应用的单片机仍然是以MCS48、MCS51、MCS96为主流系列。随着这一系列的深入开发，其主流系
11、列的地位会不断巩固下去。因而我们在此主要介绍Intel公司的单片机系列。,2019/4/13,18,2、MCS-51系列和AT89系列单片机,MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8951，8032，8052，8752，8952等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS-51系列单片机，而8031是前些年在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。,（1） MCS-51系列,2019/4/13,19,
12、MCS-51系列单片机分类,2019/4/13,20,8051,1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20,40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21,P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7 RST/VPD RXD/ P3.0 TXD/ P3.1 INT0/ P3.2 INT1/ P3.3 T0/ P3.4 T1/ P3.5 WR/ P3.6 RD/ P3.7 XTAL2 XTAL1 Vss,Vcc P0.0 P0.1 P
13、0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 EA/Vpp ALE/PROG PSEN P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 P2.3 P2.2 P2.1 P2.0,2019/4/13,21,单片机问世以来，在我国使用最多的还是Intel公司的及其兼容单片机。 MCS-51单片机是最早进入我国的单片机主流产品之一。 MCS是Intel公司生产的单片机的系列号，如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列单片机。 MCS-51系列单片机既包括三个基本型8031、8051、8751，也包括对应的低功耗型80C31、80C51、87C51。,2019/4/13,22,
14、（1）基本型 典型产品：8031/8051/8751 （2）增强型 典型产品：8032/8052/8752 内部RAM增到256字节，8052、8752的内部程序存储器扩展到8KB，16位定时器/计数器增至3个。 （3）低功耗型 典型产品：80C31/87C51/80C51。采用CMOS工艺 适于电池供电或其它要求低功耗的场合。 （4）专用型 8044/8744，用于总线分布式多机测控系统。美国Cypress公司的EZU SR-2100单片机USB接口。,2019/4/13,23,INTEL公司将MCS-51的核心技术授权给了很多其它公司，所以有很多公司在做以8051为核心的单片机，当然，功能
15、或多或少有些改变，以满足不同的需求，其中89C51就是这几年在我国非常流行的单片机，它是由美国ATMEL公司开发生产的。,（2）AT89系列,2019/4/13,24,MCS-51和AT89系列单片机配置一览表,2019/4/13,25,1.4 单片机的开发过程,这里所说的开发过程并不是一般书中所说的从任务分析开始，我们假设已设计并制作好硬件，下面就是编写软件的工作。在编写软件之前，首先要确定一些常数、地址，事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来了。如当某器件的连线设计好后，其地址也就被确定了，当器件的功能被确定下来后，其控制字也就被确定了。然后用文本编缉器编写软件，编写好后，
16、用编译器对源程序文件编译、查错，直到没有语法错误，除了极简单的程序外，一般应用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。,2019/4/13,26,运行正确后，就可以写片（将程序固化在 EPROM中）。,源程序 ORG 0000H LJMP START ORG 040H START：MOV SP，#5FH ;设堆栈 LOOP：NOP LJMP LOOP ；循环 END ；结束,目标文件也就是最终写入EPROM的文件： 02 00 40 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF F
17、F FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 75 81 5F 00 02 00 43,2019/4/13,27,仿真是单片机开发过程中非常重要的一个环节，除了一些极简单的任务，一般产品开发过程中都要进行仿真，仿真的主要目的是进行软件调试，当然借助仿真器，也能进行一些硬件排错。一块单片机应用电路板包括单片机部份及为达到使用目的而设计的应用电路，仿真就是利用仿真器来代替应用电路板（称目标机）的单片机部份，对应用电路部份进行测试、调试。 仿真分软件模拟仿真和利用仿真器仿真两类。,1.5 仿真、仿真器,2019/4/13,28,软件模拟仿真 是指用仿真软件来模拟单片机运行情况，一般我们学习指令系统时常用这种方式，它不能进行硬件系统的调试和故障诊断。 利用仿真器仿真 利用仿真器以及微机可以进行软硬件系统的调试和故障诊断。 在仿真调试过程中，可以以各种运行方式运行程序（断点、单步、跟踪），还可以观察到单片机内部存储器、寄存器等的状态。,